氮化镓VS碳化硅 谁是最具潜力第三代宽禁带半导体材料?

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 进入21世纪以来,随着摩尔定律的失效大限日益临近,寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。在多位选手轮番登场后,有两位脱颖而出,它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。

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碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。SiC材料方面的企业以Cree、II-VI、Dow Corning等为代表,其中2013年Cree开发出6英寸SiC单晶产品,其微管密度低于1个/cm2;多家公司研发出厚度超过250μm的SiC外延材料样品,并批量提供中低压器件用SiC外延材料产品。在SiC器件方面,国际上报道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超过20kV的SiC功率二极管和SiC IGBT芯片样品。Cree和Rohm公司开发了SiC MOSFET产品,电压等级从650V~1700V,单芯片电流超过50A,并开发出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模块产品。

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种直接能隙*的半导体,GaN是另一种重要的宽禁带半导体材料。它具有独特的异质结结构和二维电子气,在此基础上研制的高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种平面型器件,可以实现低导通电阻、高开关速度的优良特性。国际上也有团队报道了垂直型的GaN电力电子器件。近年来围绕GaN半导体器件的全球研发投入以及生产规模均快速增长,其中650V以下的平面型HEMT器件已经实现了产业化。

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碳化硅、氮化镓物理性质比较

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发展应用领域

根据第三代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域,宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

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第三代宽禁带半导体材料应用领域


半导体照明

LED衬底类别包括蓝宝石、碳化硅、硅以及氮化镓。蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。SiC衬底有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题,减少了缺陷和位错,更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。氮化镓具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越特性,是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。时至今日,氮化镓衬底相对于蓝宝石、碳化硅等衬底的性能优势显而易见,最大难题在于价格过高。

功率器件

2015年,SiC功率半导体市场(包括二极管和晶体管)规模约为2亿美元,到2021年,其市场规模预计将超过5.5亿美元,这期间的复合年均增长率预计将达19%。毫无悬念,消耗大量二极管的功率因素校正(PFC)电源市场,仍将是SiC功率半导体最主要的应用。
目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600伏HEMT混合串联开关,国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯,材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。

微波器件

GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。市调公司Yole预测,2016~2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍,市场复合年增长率(CAGR)将达到4%;2020年末,市场规模将扩大至目前的2.5倍。GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用,充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

激光器和探测器

在激光器和探测器应用领域,GaN激光器已经成功用于蓝光DVD,蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”,有望将照明和显示融合发展。目前,只有国外的日本日亚公司(Nichia)、和德国的欧司朗(Osram)等公司能够提供商品化的GaN基激光器。
由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能,还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,例如核辐射探测器,X射线成像仪等,但尚未实现产业化。

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